[Swift] Class vs Struct (feat. 메모리 구조, Array, CoW)

야곰 아카데미에서 프로젝트를 진행하다가 "OO는 왜 구조체로 구현했나요?"라는 질문을 받았는데, 그 질문에 대한 답변이 바로 떠오르지 않았다. 왜냐하면... 특별한 이유를 생각해보지 않고 구현했기 때문이었다^^;;; 굳이굳이 이유를 찾아보자면, 아직 프로젝트 요구사항이 전부 밝혀지지 않아서 굳이 class로 작성할 이유를 찾지 못했기 때문이라고 할 수 있겠다. (애플 공식문서에서 클래스에서만 지원하는 기능이 필요한 경우가 아니면 기본적으로 구조체를 쓰라고 했기 때문에)

그런데 연결 리스트를 구현해보는 과정에서 Node는 아무 생각 없이 클래스로 구현했었던 것이 생각나서, (나를 포함한 다른 사람들도) 왜 노드는 클래스로 구현했지?라는 의문을 갖게 되었다.

Doubly Linked List의 노드는 일반적으로 아래와 같이, 노드의 값 그리고 앞뒤로 연결된 노드에 대한 reference를 프로퍼티로 갖는다.

class Node {
    var value: Int
    var prev: Node?
    var next: Node?
}

이 노드를 아래와 같이 구조체로 구현해보면, 오류가 발생한다.

struct Node {
    var value: Int
    var prev: Node? // 컴파일 오류 발생
    var next: Node? // 컴파일 오류 발생
}

발생하는 컴파일 오류: Node는 값 타입이기 때문에, 재귀적으로 자신을 포함하는 저장 프로퍼티를 가질 수 없다고 한다.

왜죠..? WHY....?
결론을 요약하자면 구조체는 값 타입이므로 컴파일 타임에 스택에 공간을 할당해줘야 하는데, 컴파일 타임에 이 Node의 크기를 알 수 없기 때문이다. Node의 크기를 알 수 없는 이유는, 이 Node가 재귀적으로 계속 새로운 Node에 대한 정보를 가지고 있는 구조이기 때문에 크기를 특정할 수 없어 컴파일 타임에 알 수가 없다는 것이다.

제대로 이해하기 위해서는 Swift의 메모리 할당 방식에 대해서 알아야 한다.
분명히 몇주 전 활동학습 주제로 공부했었는데, 명확하게 이해가 안 되는 점이 있어 다시 공부하기로 함^^!

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Swift의 메모리 할당/해제 방식 (힙, 스택)

프로그램을 위해 할당된 메모리 공간은 총 4가지 영역으로 나뉘어져 있다 (코드 영역, 데이터 영역, 힙 영역, 스택 영역). 그 중에서 힙이랑 스택만 정리해보자.

힙 영역

런타임 전까지는 크기를 알 수 없는 데이터를 가지고 있기 위한 메모리 덩어리
힙으로 할당된 메모리는 ARC에 의해서 해제된다

• Swift는 어떤 메모리에 대한 새로운 참조가 생겼을 때, 그 메모리의 reference count를 +1 한다
• 참조가 해제되면 그 메모리의 reference count를 -1 한다.
• reference count가 0이 되면, 메모리가 해제된다.
• 전통적인 garbage collection은 힙 전체를 돌아다니면서 더 이상 참조되지 않는 메모리를 찾아 해제하는 방식이기 때문에, Swift의 ARC가 더 효율적이다.

스택 영역

함수를 호출할 때 지역 변수, 매개 변수, 반환값(return value) 등이 스택에 저장된다.

• 하나의 함수를 호출하는 데 필요한 메모리 덩어리를 묶어서 스택 프레임(Stack Frame)이라고 부른다.
  • 아래 디버그 화면에서 함수 단위 하나하나가 스택 프레임이고, 이 전체는 Call Stack이라고 부른다.
    
• 어떤 함수가 호출되면, CPU가 스택 포인터(스택의 가장 위를 가리키고 있는 것)을 위로 옮겨서 스택에 메모리를 할당한다. (몇 바이트의 공간이 필요한지와 관계 없이)
• 함수가 종료되면 CPU가 스택 포인터를 아래로 옮겨서, 위의 것들(스택 프레임)을 메모리에서 해제시킨다.
  → LIFO(Last In First Out) 구조
• 스택에 할당된 변수들은 실제로는 스택에서 보관하는 경우보다 CPU 레지스터에서 보관하는 경우가 더 많다
  → 이 변수들을 조작하기 위해 메모리 액세스를 요구하지 않기 때문에 더 빠르게 조작할 수 있다.
  → 이런 경우, 스택에 할당된 메모리를 해제할 때 레지스테이 보관된 변수를 별도로 clean up 하지 않아도 된다 (언젠가 이 변수들이 overwritten 될 것이기 때문에)

(구조상) 메모리의 가장 상단에 위치한다 (메모리 주소값이 높은 값 → 낮은 값 으로 써나감).

컴파일 타임에 크기를 알 수 있는 데이터에 주로 사용된다.

• 많은 언어에서 Integer는 스택에 할당되고, String은 그렇지 않다
  • 어떤 숫자를 표현하기 위해 필요한 메모리는 항상 알 수 있지만(정해져있음), String은 길이가 수정될 수 있기 때문에 메모리가 얼마나 필요한지 알 수 없기 때문이다.
  • Swift에서 String을 어떻게 할당하는지는 밑에서 알아볼 예정

Swift에서 int, float, struct같이 값 타입으로 구현되어 있는 것들은 스택에 할당되고, class, closure 참조 타입은 힙에 할당된다.

• 정확히는 참조 타입의 경우 참조 타입의 주소값은 스택 영역에, 참조 타입의 실체는 힙에 할당된다.
• 값 타입도 무조건 스택 영역에 할당되는 것은 아니다(힙 영역에 할당되는 경우도 존재한다).

힙 vs 스택

데이터를 스택에 할당하는 것이 힙에 할당하는 것보다 (일반적으로) 훨씬 효율적이다.

• 힙에서 빈 공간을 찾는 데 시간이 걸리고
• 그 빈 공간에 데이터를 할당할 때 얼마만큼의 공간을 쓸 것인지와 이 메모리가 사용되고 있다는 표시를 남기기 위해 저장하려는 데이터 외에 추가로 자리를 차지하기 때문이다.
• 스택은 CPU가 스택 포인터를 위로 움직이라고 지시한 후 그 메모리에 할당하기만 하면 되니까 상대적으로 작업 속도가 빠르다.

Swift는 클래스, 클로저 뿐 아니라 프로그램이 실행될 수 있는 동안 크기가 커질 수 있는 데이터를 힙에 저장한다

• 예: 크기가 정해지지 않은 배열, 문자열 등
  → 분명히!! 값 타입(구조체, integer, 배열, 문자열 등)은 스택에 저장한다고 했는데 이게 무슨말일까?

힙 영역과 스택 영역에 메모리가 할당되는 예시

struct Cat {
    let name: String
    var age: Int
}

class Today {
    let weather: String = "맑음"
    let condition: String = "졸림"

    init() {
        petCondition()
    }

    func petCondition() {
        let petCondition: String = "귀여움"
    }
}

class Summer {
    let name: String = "써머"
    let pet: Cat = Cat(name: "또킨", age: 2)
    let today: Today = Today()

    init() {
        copy()
    }

    func copy() {
        let copyCat: Cat = Cat(name: "치킨", age: 0)
        let copyTtokin = pet
        let copyToday = today
    }
}

let summer: Summer = Summer()

위의 코드를 실행하면,

1. 생성된 summer 인스턴스는 상수이기 때문에 스택 영역에 할당된다.
2. Summer는 참조 타입이기 때문에, 힙 영역에 Summer를 할당하기 위한 공간을 계산한다.
   • 위 예시에서 총 필요한 영역은 우선 4개이다.
     name 1개, pet 2개(pet.name, pet.age), today 1개
   • 할당하기 위한 공간(영역)을 먼저 잡은 후, 한 줄씩 실행되면서 값이 할당된다.
     name = "써머", pet.name = "또킨", pet.age = 2, today = Today()
     
     
3. today에 Today() 클래스를 할당해주기 위해, 힙 영역에 Today 클래스를 위한 영역을 할당해준다.
   • today.weather = "맑음", today.condition = "졸림"
     
     
4. 힙 영역에 Today가 할당되고 나면, Summer의 today에 Today()가 생성되었기 때문에 Today()의 init() 메서드를 호출하고, init() 메서드 안의 petCondition() 메서드가 호출된다.
   • Today.init()과 Today.petCondition()은 스택 영역에 할당된다(함수의 호출이기 때문에).
   • petCondition()안의 petCondition = "귀여움"도 스택 영역에 할당된다(메서드의 지역변수니까).
   • 
   • 여기까지 실행되고 나면, Today.petCondition()과 Today.init()의 호출이 종료되면서
     petCondition = "귀여움" -> Today.petCondition() -> Test.init()의 순서로 스택 영역에서 pop 되고, Today 클래스의 호출이 종료된다.
   • 

5. Today 클래스의 호출이 종료되면, 힙 영역에 있는 summer의 today 변수에 할당된 Today 클래스의 주소가 저장되고, today는 힙 영역의 Today 영역을 바라보게 된다 (retain).
6. 
7. 이제 summer의 함수(init(), copy())를 호출한다.
   • init()이 처음으로 호출되고, init() 안에서 copy()가 호출되면서 copy()의 지역 변수 copyCat과 copyTtokin, copyToday가 차지할 영역이 스택에 할당된 후, 한 줄씩 실행되면서 초기값이 세팅된다.
   • 
   • 이 때 copyCat, copyTtokin, copyToday는 서로 메모리에 할당되는 과정이 다르다.
     • copyCat의 경우 name = "치킨", age = 0을 하나씩 새로 할당해주고
     • 
     • copyTtokin의 경우 pet을 복사해와서 할당해주고
     • 
     • copyToday는 클래스이기 때문에, 힙 영역에 있는 Today를 바라보게 된다.
     • 

7. 여기까지 모든 함수의 실행이 끝났으므로.. copy() 메서드와 copy() 메서드의 지역변수들을 pop한다.
   • 이 때, copyToday가 pop하면서 Today의 retain count 가 -1된다.
     
8. 그리고 summer.init()이 종료되어 pop된다.
9. 
10. 그리고 Summer 클래스에 대한 호출이 종료되면서, summer 변수에 할당되어 있는 Summer의 주소가 저장된다.
11. 
12. 메인 함수의 호출이 종료되면 summer와 main()이 pop되면서, summer가 Summer를 바라보던 게 끊어지고(release), Summer의 retain count는 0이 되어 ARC에 의해 메모리에서 해제된다.
13. 

![](https://i.imgur.com/G5NcxTi.png)

11. 그리고 Summer가 힙 영역에서 해제되면서,today가 Today를 더이상 바라보지 않기 때문에 Today의 retain count도 0이 되어 ARC에 의해 해제된다.
12. 
13. 모든 게 종료되면, 메모리에 아무것도 존재하지 않는 상태가 된다.
14. 

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Swift는 Array, Dictionary, String 등을 어떻게 저장하는가?

Array, Dictionary, String 등은 그 길이를 컴파일 타임에 미리 알 수 없는데(길이가 변경될 수 있으니까) Swift에는 구조체로 구현되어 있다. 그런데 스택에 할당하기 위해서는 컴파일 타임에 길이를 알 수 있어야 한다고 했다.
하지만 아래의 예시는 오류가 발생하지 않는다. 왜일까?

struct Node {
    var value = Int
    var arr: [Node] // 오류 발생하지 않음
}

한줄요약: Swift는 Copy On Write를 사용하기 때문이다.

Swift에서 Array, Dictionary, String 등은 인스턴스가 변경되었을(mutated) 때, 변경된 실제 카피는 힙 메모리에만 만들어진다.

• 값 타입으로서 스택 영역 안에 존재하는 배열이 담고 있는 것은, 사실 저 힙 메모리의 주소값이다.
• 실제로 String이나 Array가 차지하고 있는 메모리의 크기를 확인해보면, String의 길이를 늘리거나 Array의 원소를 넣고 빼도 스택 영역에서 차지하고 있는 메모리 크기는 동일하다.
  (https://sujinnaljin.medium.com/ios-swift의-type과-메모리-저장-공간-25555c69ccff)

그리고 값 타입의 인스턴스를 복사해서 사용할 때, 복사본(copy)의 값이 변경되기 전까지는 실제 데이터의 복사본을 안 만든다. 복사본에서는 원본 값을 가리키는 주소값을 가지고 있다가 복사본의 데이터를 변경해주면 (복사한 배열에 원소를 추가한다던가), 그 때 데이터의 복사본을 만들어서 걔를 변경하고, 그 새로운 복사본을 가리키는 주소값을 새로 가리키게 된다.

 

그리고 Swift의 배열이 재미있는점.. 현재 할당되어 있는 크기가 꽉 찼는데 새로운 원소를 append 하려고 하면, 배열의 크기를 현재의 2배로 늘린다(multiple).
(https://github.com/apple/swift/blob/main/stdlib/public/core/Array.swift)

출처

https://medium.com/@leandromperez/bidirectional-associations-using-value-types-in-swift-548840734047
https://medium.com/@itchyankles/memory-management-in-rust-and-swift-8ecda3cdf5b7#.vxuxwzr2l
https://www.mikeash.com/pyblog/friday-qa-2015-04-17-lets-build-swiftarray.html
https://sujinnaljin.medium.com/ios-swift의-type과-메모리-저장-공간-25555c69ccff
https://www.freecodecamp.org/news/the-story-of-one-mother-two-sons-value-type-vs-reference-type-in-swift-6e125af2d5d0/
https://github.com/apple/swift/blob/main/stdlib/public/core/Array.swift